Structural integration of force sensors by selective laser melting (AddKraft)

• Applicants: Professor Dr. Mario Kupnik; Professor Dr.-Ing. Matthias Weigold, since 10/2019
• Subject Area: Production Automation and Assembly Technology ; Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2019 to 2023
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 418628981

• Final Report Year: 2023

Final Report Abstract

Gegenstand dieses Forschungsprojektes ist die Entwicklung und Charakterisierung eines Konzeptes für die Herstellung von additiv gefertigten Kraftsensoren basierend auf Dehnungsmessstreifen (DMS). Durch die geometrische Freiheit der additiven Fertigung kann eine Funktionsintegration erfolgen. Die Kraftsensorik kann in die Struktur integriert werden und eignet sich somit optimal für eine Strukturintegration in Maschinen und Anlagen, in Bauwerken oder in medizintechnischen Geräten eignen. Als Fertigungstechnologie wird hier das pulverbettbasierte Laserschmelzverfahren (LPBF) genutzt, da es die führende Technologie im Bereich der metallbasierten additiven Fertigung ist und eine hohe Auflösung sowie gute mechanische Eigenschaften ermöglicht. Der Lösungsansatz besteht aus einer disruptiven Fertigungsmethode, die die Herstellungsreihenfolge von konventionellen Kraftsensoren aufbricht und neu anordnet. Dabei wird zunächst ein Grundkörper mittels LPBF aus dem Stahl 1.4404 gefertigt, der eine definierte Kavität aufweist. Während einer Prozessunterbrechung wird ein Messelementträger (Stahlplatte aus Stahl 1.4310) mit vorab applizierten DMS in die Kavität eingesetzt. Nach dem Fortsetzen den Fertigungsprozesses wird eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem zuvor gefertigten Grundkörper und dem eingelegten Messelementträger erstellt. Dieser Lösungsansatz eröffnet eine Reihe von grundlegenden Forschungsfragen, die durch die beiden Forschungsgruppen (MUST und PTW) bearbeitet wurden. Dazu zählen beispielweise ob eine verlustfreie Dehnungsübertragung vom LPBF-gefertigten Grundkörper zum eingelegten Messelementträger gegeben ist, ob die DMS den Prozessbedingungen standhalten und weiterhin ein lineares Verhalten aufweisen und ob sich die thermischen induzierten Spannungen kritisch auf die Funktionalität des realisierten Kraftsensors auswirken. In den experimentellen Untersuchungen zeigt sich, dass eine verlustfreie Dehnungsübertragung gewährleistet ist, da es an der Verbindungszone zu einer 100 µm tiefen Materialdurchmischung kommt. Dies wird bestätigt durch die Charakterisierung dieser LPBF-gefertigten Verformungskörper, die unter statischen Lasten vermessen werden. Dabei resultieren Linearitätsabweichungen von ±0,1 % sowie Hystereseabweichungen von ±0,2 %, die in der gleichen Größenordnung sind wie die eines konventionell gefertigten Referenzsensors. In weiteren Untersuchungen zeigt sich, dass die DMS über den Einsatz des Messelementträgers von der aktiven Prozesszone mit sehr hohen Temperaturen geschützt werden und somit den LPBF-Prozess standhalten. Der Vergleich ihres Widerstandsverhaltens vor und nach dem LPBF-Prozess zeigt keine Änderung ihrer Empfindlichkeit oder Linearität. Es ergibt sich jedoch eine starke Verformung des Messelementträgers durch die thermisch induzierten Spannungen, die auch eine irreversible Widerstandänderung durch Verformung der DMS bewirken. Im weiteren Verlauf werden die Einflussparameter der thermisch induzierten Verformung identifiziert und im Rahmen einer DoE auf ihre Signifikanz untersucht. Damit lassen sich Gegenmaßnahmen einleiten, die die thermisch induzierte Verformung um bis zu 67 % reduzieren. Im letzten Schritt werden all diese Erkenntnisse genutzt, um eine Verformungskörpergeometrie mit vollständiger Verkapselung der DMS zu entwickeln und fertigen, die neben dem besseren Schutz der DMS weiterhin eine hohe Genauigkeit hinsichtlich Linearität und Hysterese liefert.

Publications

• Disruptive Force Sensor Based on Laser-based Powder-Bed-Fusion. 2020 IEEE SENSORS, 1-4. IEEE.
  Chadda, Romol; Probst, Johanna; Hartmann, Claas; Link, Martin; Hessinger, Markus; Abele, Eberhard; Weigold, Matthias & Kupnik, Mario
  
• Investigation on Structural Integration of Strain Gauges using Laser-Based Powder-Bed-Fusion (LPBF). Lecture Notes in Production Engineering, 387-395. Springer Berlin Heidelberg.
  Link, M.; Weigold, M.; Probst, J.; Chadda, R.; Hartmann, C.; Hessinger, M.; Kupnik, M. & Abele, E.
  
• Evaluation of Additively Manufactured Parts in Disruptive Manner as Deformation Elements for Structural Integrated Force Sensors. IEEE Sensors Journal, 22(20), 19249-19258.
  Chadda, Romol; Link, Martin; Engel, Tim; Hartmann, Claas; Dali, Omar Ben; Probst, Johanna; Merschroth, Holger; Abele, Eberhard; Weigold, Matthias & Kupnik, Mario
  
• „Komponentenintegration von Dehnungsmessstreifen mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen“, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, 2022.
  M. Link
  
• „Additively Manufactured Force Sensors in Disruptive Manner Based on Laser-based Powder Bed Fusion“, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, Darmstadt, 2023
  R. Chadda